Квантовые числа

1. n – главное квантовое число, принимает значения целых чисел от 1 до ∞. Однако невозбужденные атомы известных в настоящее время элементов не содержат электроны, для описания которых необходимы n>7.

Состояние электрона, характеризующееся определенным значением главного квантового числа, называют энергетическим уровнем электрона в атоме.

Пример. При n=1 электрон находится на первом энергетическом уровне, при n=2 – на втором.

Главное квантовое число определяет общую энергию электрона на данном уровне.

Наименьшей энергией электрон обладает на первом уровне, с увеличением n энергия электрона возрастает.

Главное квантовое число отражает также удаленность электрона от ядра и определяет размер электронного облака.

При этом, чем больше n, тем дальше от ядра находится в атоме электрон.

Поскольку электронное облако не имеет четко очерченных в пространстве границ, за размеры электронного облака принимаются размеры граничной поверхности, проведенной так, чтобы она включала 90% заряда и массы электрона.

2. l – орбитальное квантовое число. При данном n l принимает значения целых чисел от 0 до (n-1).

Состояние электрона, соответствующее определенному значению l, называется энергетическим подуровнем.

Т.о., энергетические уровни подразделяются на подуровни. Число подуровней равно номеру уровня.

Например,

n = 1 l = 0

n = 2 l = 0, 1

n = 3 l = 0, 1, 2

n = 4 l = 0, 1, 2, 3

s p d f

Для численных значений l приняты буквенные обозначения: s(l=0), p(l=1), d(l=2), f(l=3).

Орбитальное квантовое число определяет энергию электрона на подуровне и форму электронного облака.

3. m_l – магнитное квантовое число. При данном l m_l принимает значения всех целых чисел от –l через нуль до +l.

Магнитное квантовое число определяет ориентацию электронного облака в пространстве.

Данному значению l соответствует (2l+1) способов расположения электронного облака в пространстве.

s (l=0) m_l=0 2l+1=1

p (l=1) m_l=-1,0,1 2l+1=3

d (l=2) m_l=-2,-1,0,1,2 2l+1=5

f (l=3) m_l=-3,-2,-1,0,1,2,3 2l+1=7

Состояние электрона в атоме, характеризующееся определенными значениями n, l, m_l (т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака) получило название атомной электронной орбитали (квантовой ячейки, энергетического состояния).

Как мы уже показали, s-состоянию всегда отвечает только одна орбиталь, р-состоянию – три орбитали, d-состоянию - пять орбиталей, f-состоянию – семь орбиталей.

Рис.1.1. Пространственные конфигурации s-, p- и d-орбиталей.

4. m_s – спиновое квантовое число.

Изучение тонкой структуры атомных спектров показало, что электроны в атомах отличаются еще одной характеристикой – собственным моментом количества движения, называемым спином.

Этот момент порождается, как показали Уленбек и Гаудсмит, особым движением электрона, которое только очень условно можно описать как движение вокруг собственной оси. Спин, как и другие характеристики движения микрочастиц, не имеет подлинных механических аналогий и принципиально не может быть связан с какой-либо наглядной моделью.

Вращение электрона вокруг своей оси следует понимать лишь в том смысле, что электрон имеет собственный момент. Этот собственный момент описывается спиновым квантовым числом. Значение спинового момента количества движения равно ±h/2π, т.е. ±½ в единицах h/2π. Поэтому спиновое квантовое число может иметь только два значения: +½ (↑) и -½(↓). Полуцелый спин электронов является столь же фундаментальным свойством электронов, как их масса и электрический заряд.

Т.о., четыре квантовых числа полностью характеризуют движение электрона в атоме, и никаких других характеристик, независимых от этих квантовых чисел, быть не может.